O objetivo desta dissertação é a compreensão do comportamento térmico nas primeiras idades, isto é até às 48 horas, em betões de alto desempenho. Através da comparação de resultados obtidos em ensaios laboratoriais e modelos numéricos, realizou-se um estudo de compreensão do calor expectável a ser libertado por um betão de elevado desempenho na reação de hidratação do cimento. Este estudo permitirá um controlo de qualidade dos betões de alto desempenho para diferentes misturas, assim como uma previsão do efeito que certas adições ou diferentes proporções de constituintes poderão ter no comportamento térmico destes. Todos os ensaios laboratoriais foram complementados com ensaios não destrutivos, como o estudo da resistividade e da propagação dos ultrassons de maneira a obter uma melhor interpretação da diferença das propriedades mecânicas entre amostras. Procedeu-se a ensaios de diferentes razões de água cimento de pastas, com o objetivo de perceber o efeito que a variação da quantidade de cimento tem na produção de calor devido à hidratação do cimento, assim como as máximas temperaturas verificadas nos provetes. Por último foram realizados ensaios de argamassas de alto desempenho para compreender a influência que adições nas argamassas poderão provocar na reação da hidratação do cimento, e também perceber a variação de comportamento devido à presença de areia fina na mistura. Desenvolveram-se modelos numéricos, que graças às capacidades de simulação do processo de hidratação do cimento e da interação com o meio envolvente, que proporcionaram resultados aproximados dos medidos no molde instrumentado, tais como curvas de temperatura ao longo do tempo, e também permitiram que se gerassem mapas de temperatura. Conclui-se que é possível obter valores próximos entre os resultados obtidos por via de ensaios laboratoriais e a modelação numérica, sendo necessário um desenvolvimento futuro de um estudo de calibração da convecção térmica assim como um estudo num calorímetro adiabático de pastas e argamassas para que seja feita uma melhor caraterização das taxas de libertação de calor e do efeito que o uso de superplastificante poderá ter na reação de hidratação do cimento. Este trabalho está relacionado com o projeto FCT PTDC/ECM/122446/2010 Betofibra – Betões de elevado desempenho reforçado com fibras em solução inovadoras: conceção, caracterização e controlo de qualidade.

1. Ensaio e Modelação de
Comportamento Térmico de
Betões de Elevado
Desempenho nas Primeiras
Idades
Autor: Luís Miguel Ribeiro da Silva Fonseca Oliveira
Orientador: Doutor João Filipe Meneses Espinheira Rio
Co-Orientador: Professor Doutor Rui Manuel Carvalho Marques Faria
Porto, 22 de Julho de 2014
Mestrado Integrado em Engenharia Civil – Especialização em Estruturas
1

2. Sumário
Objetivos
Objetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
• Compreensão do comportamento térmico de
pastas e argamassas de elevado desempenho;
• Calibração de modelos numéricos;
• Controlo de qualidade de pastas e argamassas;
• Desenvolvimento de um novo molde
instrumentado.
2

3. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Primeiras Idades e Libertação de Calor
Processo de Hidratação do Cimento:
• Advém da reação química da água com o cimento;
• Carácter Exotérmico;
• Gera expansão volumétrica seguida de uma
contração podendo provocar fissuração;
• Divide-se em três períodos.
3

4. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Períodos de Libertação de Calor:
(Maekawa, K. [et al.], 1999)
(Azenha, M.Â.D., 2004)
Primeiras Idades e Libertação de Calor
4

5. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
(Azenha, M.Â.D., 2004)
Mecanismos de transferência de Calor:
• Condução
• Convecção
• Radiação
Primeiras Idades e Libertação de Calor
5

6. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Primeiras Idades e Libertação de Calor
6
Principais fórmulas utilizadas:
𝑘 𝑐 =
𝑤𝑐𝑒𝑚 𝑘 𝑐𝑒𝑚 + 𝑊𝑠𝑎𝑛𝑑 + 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣 𝑘 𝑎𝑔𝑔 + 𝑊𝑤 𝑘 𝑤
𝜌𝑐
𝑐 𝑐 =
𝑤𝑐𝑒𝑚 𝑐 𝑐𝑒𝑚 + 𝑊𝑠𝑎𝑛𝑑 + 𝑊𝑔𝑟𝑎𝑣 𝑐 𝑎𝑔𝑔 + 𝑊𝑤 𝑘 𝑤 − 𝑐 𝑏𝑖𝑛𝑑𝑊 𝑤𝑐𝑒𝑚 𝛼𝑐 𝑤
𝜌𝑐
ℎ 𝑐𝑟 = ℎ 𝑐 + ℎ 𝑟
ℎ 𝑐 =
5.6 + 3.95 𝑣
7.6 𝑣0.78
𝑠𝑒 𝑣 ≤ 5 𝑚/𝑠
𝑠𝑒 𝑣 > 5 𝑚/𝑠
ℎ 𝑒𝑞 =
1
ℎ1 𝐴
+
𝑖
𝑛
𝐿𝑖
𝑘𝑖 𝐴
−1
𝑔 𝑇 = 𝐴 𝑇 𝑒
−𝐸 𝑎
𝑅𝑇
𝑄 = 𝑓 𝛼 𝑇 𝐴 𝑇 𝑒
−𝐸 𝑎
𝑅𝑇
𝑓 𝛼 𝑇 =
𝑄
𝑄 𝑚á𝑥
𝛼 𝑇 =
𝑄(𝑡
𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
, 0 a 1

7. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
(Ferreira, D.C.S., 2009)
Hidratação do Cimento:
Primeiras Idades e Libertação de Calor
7

8. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
(Ferreira, D.C.S., 2009)
Hidratação do Cimento:
Primeiras Idades e Libertação de Calor
8

9. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Molde Instrumentado
9

10. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
• Definição da Malha de Elementos Finitos:
Modelação Numérica
10

11.  Série S1 – Molde com tampa
 Série S2 – Molde sem tampa
 Série S3 – Molde sem malhas metálicas
 Série S4 – Molde com tampa e com isolamento
 Série S5 – Apenas base (temperatura ambiente)
SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Caracterização Térmica do Molde
11

12. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
16
21
26
31
36
0 5 10 15 20 25
Temperatura-°C
Idade - Horas
S1 S2 S3 S4 S5
15
20
25
30
35
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Temperatura-°C
Idade - Horas
S1 S2 S3 S4
Caracterização Térmica do Molde
12

13. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
17
22
27
32
37
0 5 10 15 20 25
Temperatura-°C
Idade - Horas
DIANA Medido
y = -1,979x + 32,379
y = -1,952x + 33,679
18
20
22
24
26
28
30
32
34
0 1 2 3 4 5 6 7
Temperatura-°C
Idade - Horas
Calibração da Convecção
13

14. Sumário A/C = 0,3 A/C = 0,4 A/C = 0,5 A/C = 0,6
Volume 1,5 lt 1,5 lt 1,5 lt 1,5 lt
Cimento 1,638 kg 1,127 kg 0,922 kg 0,827 kg
Filer Calcário 0,737 kg 1,176 kg 1,352 kg 1,434 kg
Superplastificante 0,031 kg 0,031 kg 0,031 kg 0,031 kg
Água 1 (81% Água Total) 0,537 kg 0,537 kg 0,537 kg 0,537 kg
Água 2 (19% Água Total) 0,134 kg 0,134 kg 0,134 kg 0,134 kg
Estabilizador 0,000 kg 0,000 kg 0,005 kg 0,005 kg
Razão de Água Cimento
14

15. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
18
23
28
33
38
43
48
0 10 20 30 40 50 60
Temperatura(ºC)
Idade - Horas
A/C 0.6 A/C 0.5 A/C 0.4 A/C 0.3 AMB
Razão de Água Cimento
15

16. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
0
2
4
6
8
10
12
14
0 10 20 30 40 50 60
Resistividade(Ωm)
Idade
A/C 0,6 A/C 0.5 A/C 0.4 A/C 0.3
Razão de Água Cimento
16

17. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 10 20 30 40 50 60
Velocidade-m.s̄¹
Idade - Horas
A/C 0.3 A/C 0,4 A/C 0.5 A/C 0,6
Razão de Água Cimento
17

18. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
y = -43.39x + 55.183
R² = 0.9634
0
10
20
30
40
50
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Temperatura-°C
Razão de Água Cimento
y = -26511x + 83544
R² = 0.9598
6.6E+04
6.8E+04
7.0E+04
7.2E+04
7.4E+04
7.6E+04
7.8E+04
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Integral-°C.Min
Razão de Água Cimento
Razão de Água Cimento
18

19. Sumário
• Convecção de cálculo 3,75:
18
28
38
48
58
68
0 10 20 30 40 50
Tempertaura-ºC
Idade - Horas
Medido CA CB
Tméd (DIANA) 59,7
Tmáx (Molde) 43,18
Variação 38%
Modelação Numérica
19

20. Sumário
• Convecção de cálculo 6,2:
18
23
28
33
38
43
48
0 10 20 30 40 50
Temperatura-ºC
Idade - Horas
CA CB Medido
Modelação Numérica
Tméd (DIANA) 41,15
Tmáx (Molde) 43,18
Variação 5%
20

21. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
• Convecção de cálculo 6,2:
Modelação Numérica
21

22. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
• Diferentes Razões de Água/Cimento:
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Calculado Calibrado
Temperatura-ºC
A/C=0,4 A/C=0,5 A/C=0,6
Modelação Numérica
22

23. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
• Diferentes Razões de Água/Cimento:
0.00E+00
5.00E+07
1.00E+08
1.50E+08
2.00E+08
2.50E+08
3.00E+08
3.50E+08
4.00E+08
Calculado Calibrado
Q∞J/(K.m3)
A/C=0,4 A/C=0,5 A/C=0,6
Modelação Numérica
23

24. Sumário
Constituintes
Sílica de
Fumo
Metacaulino
Pó de
Vidro
Referência
(A/C = 0,3)
Volume 1,4 lt 1,4 lt 1,4 lt 1,4 lt
Cimento (CEM I
42.5 R)
1112,86 g 768,08 g 768,08 g 768,075 g
Sílica de Fumo 111,29 g 0 g 0 g 0 g
Metacaulino 0 g 256,03 g 0 g 0 g
Pó de Vidro 0 g 0 g 242,55 g 0 g
Filer Calcário 436,00 g 438,90 g 606,38 g 848,932 g
Areia Fina 1427,81 g 1427,81 g 1427,81 g 1427,807 g
Água 1 (80 %) 172,21 g 229,60 g 184,80 g 184,8 g
Água 2 (20%) 43,05 g 57,40 g 46,20 g 46,2 g
Superplastificante
1 (75%)
14,44 g 20,85 g 19,40 g 19,4 g
Superplastificante
2 (25%)
4,81 g 6,95 g 6,47 g 6,5 g
Influência de Diferentes Adições
24

25. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
22
24
26
28
30
32
34
36
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51
Temperatura-˚C
Idade - horas
MET
PVI
SIL
REF
AMB
Influência de Diferentes Adições
25

26. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
0
10
20
30
40
50
0 10 20 30 40 50 60
Resistividade-Ωm
Idade - Horas
MET PVI SIL REF
0
1000
2000
3000
4000
5000
0 10 20 30 40 50 60
Velocidade-m.s̄¹
Idade - horas
MET PVI SIL REF
Influência de Diferentes Adições
26

27. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
18
20
22
24
26
28
30
32
0 10 20 30 40 50
Temperatura-ºC
Idade - Horas
CA - Cond. Pasta CA - Cond. Argamassa
18
23
28
33
38
0 10 20 30 40 50
Temperatura-ºC
Idade - Horas
CA-Argamassa CA-Pasta
Modelação Numérica
27

28. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Nova Geometria
28
Paredes em “L” Tampa e Base
Vista da Tampa + Ecrã LCD Vista Lateral + Chapa Metálica

29. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Arduino - Componentes
29

30. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
Arduino - Dados
30
ID Hora TempINT Humidade TempEXT
1 00:00:00 27 43 27
2 00:00:30 27 44 27
3 00:01:00 27 44 27
4 00:01:30 27 44 27
5 00:02:00 27 44 27
6 00:02:30 27 43 27
7 00:03:00 27 43 27
8 00:03:30 27 43 27
9 00:04:00 27 43 27
10 00:04:30 27 43 27
11 00:05:00 27 43 27
12 00:05:30 27 43 27
13 00:06:00 27 43 27
14 00:06:30 27 43 27
15 00:07:00 27 43 27
16 00:07:30 27 43 27
17 00:08:00 27 43 27
18 00:08:30 27 43 27
19 00:09:00 27 43 27
20 00:09:30 27 43 27
21 00:10:00 27 43 27
22 00:10:30 27 43 27
23 00:11:00 26 43 26
24 00:11:30 26 43 26
25 00:12:00 26 43 26
26 00:12:30 26 43 26
27 00:13:00 26 43 26
28 00:13:30 26 43 26
29 00:14:00 26 44 26
30 00:14:30 26 44 26
31 00:15:00 26 44 26
32 00:15:30 26 44 26
33 00:16:00 26 44 26
34 00:16:30 26 44 26
Ficheiro .csv Ficheiro Excel

31. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
• Foi possível fazer modelação numérica do comportamento
térmico;
• Supõe-se que a variação entre os valores dos ensaios e dos
modelos numéricos se devem à falta de calibração da
convecção térmica, da incerteza do uso do superplastificante
e da falta de caracterização do cimento;
• Com a redução da razão de água cimento verifica-se um
aumento da temperatura máxima registada, uma aceleração
da hidratação e um aumento da resistividade lida;
• Foi possível verificar a influência da presença de diferentes
adições no comportamento térmico das argamassas;
Conclusões
31

32. SumárioObjetivos
Introdução Teórica
Ensaio de Água
Ensaio de Pastas
Ensaio de
Argamassas
Desenvolvimento
de Novo Molde
Conclusões
• É necessário o estudo com um calorímetro
adiabático para uma melhor avaliação da hidratação
do cimento, assim como da influência do
superplastificante;
• O uso do Arduino permitirá a leitura e registo dos
dados obtidos, assim como uma redução
significativa do custo;
• Estudo rigoroso da convecção térmica graças a uma
modelação total do molde.
Perspetivas Futuras
32

33. Obrigado pela atenção
Luís Miguel Ribeiro da Silva Fonseca Oliveira
Porto, 22 de Julho de 2014
Mestrado Integrado em Engenharia Civil – Especialização em Estruturas
33